某柴油機(jī)曲軸后油封優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉岳文

(上海柴油機(jī)股份有限公司，上海 200438)

0前言

隨著近年來(lái)全球汽車需求的快速增長(zhǎng)，以及制造業(yè)水平的不斷提高，汽車企業(yè)和發(fā)動(dòng)機(jī)制造商之間的競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈。發(fā)動(dòng)機(jī)作為整車的核心產(chǎn)品，其技術(shù)和性能要求也不斷提高；同時(shí)，與發(fā)動(dòng)機(jī)整體品質(zhì)息息相關(guān)的三漏問(wèn)題也一直是發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)與制造中重點(diǎn)關(guān)注、研究和致力解決的課題。曲軸油封作為發(fā)動(dòng)機(jī)上密封機(jī)油的關(guān)鍵部件，其重要性越來(lái)越受到各發(fā)動(dòng)機(jī)制造商的重視。曲軸油封密封性能的好壞，直接影響到主機(jī)廠和客戶對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的體驗(yàn)和直觀感受，并影響制造商的口碑。隨著經(jīng)濟(jì)的全球化發(fā)展，消費(fèi)者的眼界和消費(fèi)觀念發(fā)生改變，使得各發(fā)動(dòng)機(jī)制造商的理念也發(fā)生跟隨性改變。除了對(duì)曲軸油封的使用可靠性和壽命的要求提高外，對(duì)曲軸油封的便于安裝性、可維護(hù)性、更換便利性、價(jià)格等方面也提出了越來(lái)越高的要求[1]。某平臺(tái)柴油機(jī)配置分動(dòng)箱后，曲軸后端密封出現(xiàn)漏油問(wèn)題，本文針對(duì)此漏油故障，對(duì)曲軸后油封進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)配套使用要求。

1 油封簡(jiǎn)介

目前國(guó)內(nèi)大部分柴油發(fā)動(dòng)機(jī)制造商基本上采用普通的橡膠彈簧曲軸油封和聚四氟乙烯(PTFE)曲軸油封兩大類，而我公司均采用PTFE類油封。PTFE油封是由美國(guó)Mather公司與National公司在上世紀(jì)80年代初研制成功的，用于代替唇形橡膠油封。PTFE又名特氟隆或塑料王，是四氟乙烯單體的共聚物，它化學(xué)穩(wěn)定性好，幾乎有所有的化學(xué)抗性，強(qiáng)酸、強(qiáng)堿或強(qiáng)氧化劑及有機(jī)溶劑對(duì)它均不起作用；熱穩(wěn)定性好，裂解溫度在400 ℃以上，能夠在-200～300 ℃溫度范圍內(nèi)正常工作。PTFE材料磨擦系數(shù)極低，并且具有非常好的自潤(rùn)滑性和記憶收縮能力，在工作中產(chǎn)生的摩擦熱使唇口會(huì)不斷收縮，所以不需要彈簧的幫助，就能緊緊貼在密封軸上，使其與密封軸之間不存在間隙，也能補(bǔ)償磨損，特別適用于高速旋轉(zhuǎn)場(chǎng)合，線速度可高達(dá)30 m/s[2]。同時(shí)，PTFE油封內(nèi)壁刻有與密封軸旋向相反的螺紋槽，當(dāng)密封軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，其會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向內(nèi)推力，阻止流體外流。PTFE油封一般主要應(yīng)用在空壓機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、齒輪箱、馬達(dá)、泵、空調(diào)、攪拌機(jī)、自動(dòng)化精密機(jī)械、機(jī)器人、化學(xué)處理設(shè)備、制藥、食品加工設(shè)備等密封要求較高的場(chǎng)合，特別適用于傳統(tǒng)橡膠油封無(wú)法滿足的應(yīng)用，是今后油封發(fā)展的方向[3]。

2 柴油機(jī)后端動(dòng)力輸出結(jié)構(gòu)及曲軸后油封

2.1 后端動(dòng)力輸出結(jié)構(gòu)

公司某平臺(tái)柴油機(jī)因配套需要而配置分動(dòng)箱，其他配置不變。柴油機(jī)主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 柴油機(jī)基本參數(shù)

配置分動(dòng)箱前，柴油機(jī)的動(dòng)力輸出結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，配置分動(dòng)箱后柴油機(jī)后端增加了額外的齒輪系統(tǒng)，如惰齒輪1、惰齒輪2、分動(dòng)箱輸出齒輪，見(jiàn)圖2。其中分動(dòng)箱輸出齒輪是用來(lái)驅(qū)動(dòng)其他作業(yè)工具的，如壓路機(jī)的滾筒、收割機(jī)的收割筒、汽車吊的吊臂等。曲軸后油封密封性能的好壞及可靠性，與密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、密封元件密封性能的優(yōu)劣有關(guān)，也與發(fā)動(dòng)機(jī)的使用環(huán)境和用途有關(guān)。配置分動(dòng)箱的柴油機(jī)，在動(dòng)力輸出時(shí)，極易產(chǎn)生軸系振動(dòng)，而且后端異常受力加劇。

2.2 曲軸后油封

該平臺(tái)柴油機(jī)在開(kāi)發(fā)時(shí)，借用公司其他平臺(tái)柴油機(jī)成熟批產(chǎn)的曲軸后油封進(jìn)行后端的密封，以達(dá)到降低設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)成本和物料管理成本的目的。借用的后油封是普通PTFE結(jié)構(gòu)全包式油封，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。其主要結(jié)構(gòu)由PTFE主唇、外圈橡膠、骨架及作為防塵的毛氈組成，通過(guò)2次硫化工藝成型，尺寸和公差符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[4]；其外圈材料為AEM(聚乙烯丙烯酸酯)橡膠，主唇材料為PTFE。采用該后油封后，須要求曲軸軸頸密封面淬硬處理，以配合PTFE的耐磨特性，提升油封密封的可靠性。

3 曲軸后油封故障模式及原因分析

配置分動(dòng)箱的柴油機(jī)機(jī)型，主要用于工程機(jī)械和農(nóng)機(jī)，比如汽車吊、水泥攪拌機(jī)、挖掘機(jī)、收割機(jī)等。上市后，柴油機(jī)出現(xiàn)若干起后油封滲漏油故障。主要故障模式為油封發(fā)生傾斜(見(jiàn)圖4)，導(dǎo)致機(jī)油從油封主唇滲漏。

通過(guò)對(duì)故障機(jī)進(jìn)行故障零件、配合件、生產(chǎn)線裝配、工裝等因素進(jìn)行排查，并使用魚刺圖故障分析工具(見(jiàn)圖5)進(jìn)行分析，最終確定了2項(xiàng)根本原因：一項(xiàng)為在發(fā)動(dòng)機(jī)安裝至整車上時(shí)無(wú)導(dǎo)銷，不規(guī)范裝配會(huì)使得在裝配過(guò)程中，變速箱一軸撞擊到曲軸后端，導(dǎo)致曲軸后端異常受力，致使后油封產(chǎn)生不同程度的傾斜；另一項(xiàng)為帶分動(dòng)箱的柴油機(jī)后端，受力增加，導(dǎo)致原有的后油封外圈緊固力不足，使得后油封在工作過(guò)程中外圈發(fā)生移位。帶分動(dòng)箱發(fā)動(dòng)機(jī)后端受力分析見(jiàn)第4章。

4 帶分動(dòng)箱柴油機(jī)后端受力分析

帶分動(dòng)箱柴油機(jī)，由于其后端額外增加了2個(gè)惰齒輪，使得曲軸齒輪除與凸輪軸齒輪嚙合產(chǎn)生的作用力之外，額外增加了一個(gè)從輸出齒輪傳遞過(guò)來(lái)的作用力F，其可以分解為向下的垂直分力F1和向右的水平分力F2，如圖6所示。此故障柴油機(jī)用于壓路機(jī)，其分動(dòng)箱輸出齒輪的輸出功率為80 kW，輸出傳遞的扭矩為625 Nm。通過(guò)對(duì)各齒輪的速比計(jì)算可以得到，加載到曲軸齒輪上的額外扭矩為636.6 Nm。通過(guò)計(jì)算得到：F1為5 333.1 N，F(xiàn)2為4 475 N。這2個(gè)力直接作用在曲軸后端齒輪上，進(jìn)而傳遞到曲軸油封上，同時(shí)也傳遞到機(jī)體后端和齒輪室。

另外，分動(dòng)箱工作時(shí)，其輸出齒輪會(huì)受到由作業(yè)工具所傳遞的力，此力會(huì)被傳遞到發(fā)動(dòng)機(jī)后端。發(fā)動(dòng)機(jī)后端的飛輪殼，因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁厚不均勻，容易受力變形，因而將部分力傳遞至曲軸油封上。發(fā)動(dòng)機(jī)后端如圖7所示。

5 曲軸后油封優(yōu)化

根據(jù)第3章對(duì)曲軸后端油封失效模式的分析，一通過(guò)優(yōu)化變速箱安裝工藝，增加導(dǎo)銷(見(jiàn)圖8)，避免在變速箱安裝過(guò)程中發(fā)生撞擊，導(dǎo)致后油封受力，發(fā)生傾斜的現(xiàn)象；二通過(guò)改進(jìn)后油封設(shè)計(jì)，增加后油封外圈緊固力，消除后油封外圈在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中發(fā)生移位傾斜情況。

5.1 增加后油封外圈緊固力

為了維修方便，以及在維修時(shí)后油封座可重復(fù)使用，降低維修成本，油封的外圈一般采用橡膠材料，與后油封座座孔為過(guò)盈配合，而不采用金屬骨架直接與座孔過(guò)盈。后油封外圈的密封性能，首先取決于橡膠的性能參數(shù)，其次是其與座孔的過(guò)盈量。

油封外圈的緊固力，主要由油封外圈離脫力的設(shè)計(jì)來(lái)保證。按照公司企標(biāo)《曲軸油封設(shè)計(jì)參考手冊(cè)》的一般要求，油封的最小離脫力必須≥800 N。根據(jù)曲軸后油封實(shí)際工作過(guò)程和工況，將曲軸后油封壓裝于后油封座，浸泡在150 ℃高溫5W-30機(jī)油20 h，拿出冷卻后，在一般壓機(jī)設(shè)備上測(cè)量其外圈離脫力。1個(gè)原曲軸后油封外圈離脫力測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。原曲軸后油封與后油封座座孔的過(guò)盈量為0.187～0.50 mm，按照表2的測(cè)量結(jié)果推算，原曲軸后油封外圈理論離脫力范圍為2 145～5 737 N，中值離脫力3 942 N，滿足要求。

表2 原后曲軸油封外圈離脫力測(cè)量結(jié)果

由于油封外圈離脫力與外圈的橡膠性能有很大關(guān)系，而通過(guò)對(duì)橡膠性能的測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)，聚丙烯酸酯橡膠(ACM)硬度高于聚乙烯丙烯酸酯橡膠(AEM)，耐熱空氣老化性能也優(yōu)于AEM，所以選用了ACM作為AEM的替代品，優(yōu)化橡膠材料。同時(shí)，考慮到橡膠材料硬度提高后會(huì)造成壓裝困難，故將后油封外圈橡膠與后油封座座孔之間的過(guò)盈量改為0.137～0.40 mm。

采用相同測(cè)量方法，測(cè)量新橡膠材料后油封浸油后其外圈的離脫力，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3。按照表3的測(cè)量結(jié)果推算，新橡膠材料后油封的外圈理論離脫力范圍為2 526～7 377 N，中值離脫力5 952 N，即最小離脫力在原曲軸后油封基礎(chǔ)上提高了17%，中值離脫力提高了50%。

表3 新橡膠材料后油封外圈離脫力測(cè)量結(jié)果

5.2 優(yōu)化效果驗(yàn)證

為對(duì)新、老曲軸后油封的離脫力進(jìn)行對(duì)比，安排了相應(yīng)樣件的制作。取新、老曲軸后油封各3件，采用相同的測(cè)量方法測(cè)量其外圈離脫力，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表4。從新、老后油封外圈離脫力對(duì)比測(cè)量結(jié)果可以看到，新油封即使在小過(guò)盈量的情況下，其離脫力也大于有更大過(guò)盈量下的老油封，進(jìn)而可以判斷出，在相同過(guò)盈量下，新油封的離脫力會(huì)高于老油封30%左右。

表4 新、老后油封外圈離脫力測(cè)量結(jié)果

通過(guò)改進(jìn)后油封外圈橡膠材料和改變后油封與后油封座孔之間的配合過(guò)盈量、及在整車廠發(fā)動(dòng)機(jī)裝配變速箱時(shí)增加變速箱安裝導(dǎo)銷2項(xiàng)措施后，經(jīng)過(guò)6個(gè)月以上的市場(chǎng)跟蹤驗(yàn)證，未再發(fā)生由于后油封傾斜而導(dǎo)致后油封滲漏油的故障報(bào)修。

6 結(jié)論

經(jīng)過(guò)對(duì)某平臺(tái)柴油機(jī)不帶分動(dòng)箱和帶分動(dòng)箱機(jī)型的后端動(dòng)力傳輸結(jié)構(gòu)的對(duì)比和受力分析，發(fā)現(xiàn)帶分動(dòng)箱機(jī)型因額外受力而容易導(dǎo)致后端相關(guān)件的振動(dòng)和變形，且噸位越大，后端受力越大。這使得曲軸后油封在工作過(guò)程中扭曲受力，而會(huì)產(chǎn)生傾斜脫出等現(xiàn)象，影響后油封密封的可靠性。所以針對(duì)這種后端結(jié)構(gòu)和受力復(fù)雜的分動(dòng)箱配置機(jī)型，必須充分考慮其后油封外圈的緊固力，也就是設(shè)計(jì)合適的最小離脫力，以承受后端的受力和相關(guān)件變形帶來(lái)的影響。

在油封開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要考慮油封本身結(jié)構(gòu)、安裝過(guò)程及相關(guān)零部件材料和結(jié)構(gòu)對(duì)油封密封效果的影響，還需要充分考慮柴油機(jī)使用環(huán)境和配套情況對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)前、后端相關(guān)件的受力和變形的影響，其都將最終作用于前、后端油封，影響油封密封的可靠性和耐久性。